CN103485438A - 半主动控制碰撞阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半主动控制碰撞阻尼器，包括阻尼器固定面板、嵌板、附加质量块运动轨道、碰撞挡件、碰撞挡件控制器和附加质量块。阻尼器固定面板平行设置，每对阻尼器固定面板内设置一个附加质量块，该质量块可在阻尼器固定面板提供的轨道内做低阻尼运动。嵌板安装在阻尼器固定面板内侧，在嵌板上固定碰撞挡件，该碰撞挡件使附加质量块沿阻尼器固定面板的长轴方向做单方向运动。碰撞挡件控制器控制碰撞挡件的伸出与收缩，触发碰撞挡件与附加质量块上的凸出件的碰撞。碰撞挡件与附加质量块通过动量交换产生与基本结构运动方向相反的控制力，引起系统机械能的快速耗散，具有良好的减振效果。

Description

半主动控制碰撞阻尼器
技术领域
本发明涉及一种半主动控制碰撞阻尼器，在一对或多对面板内设置附加质量块，通过碰撞挡件控制器控制碰撞挡件与附加质量块凸出件的碰撞来达到减振的目的，属于土木结构（包括高层建筑、高耸结构和桥梁结构等）振动控制领域。
背景技术
 冲击阻尼器是现阶段应用较为广泛的附加质量式振动控制装置，然而，被动式冲击阻尼器的减振频带窄，往往只能对某一段特定的频率产生较好的减振效果，对于偏离该频率的振动区域控制效果不佳。而主动控制冲击阻尼器虽然能大幅提高减振性能，然后其不能够以比较经济的方式规划能量的使用，从而使其使用范围大大受限。因此，将被动控制冲击阻尼器与主动控制冲击阻尼器结合起来，使其优势互补，并进行改进开发，形成了一种耗能能力好、价格低廉、减振频带宽的新型半主动控制冲击（碰撞）阻尼器。
该半主动减振控制技术可以根据结构的响应和（或）外激励的反馈信息，实时调整控制装置的相关参数，有效减少结构振动响应；而且构造简单，几乎不需要基本结构的信息，所需能量小，工作稳定，减振频带宽，适用于各种线性和非线性基本结构。
发明内容
为了解决传统冲击阻尼器调谐频带窄、设置耗能阻尼器价格昂贵、耗能能力有限的问题，本发明的目的在于提出一种半主动控制碰撞阻尼器，该装置结合被动控制冲击阻尼器与主动控制冲击阻尼器各自优点，并加以改进，即引入一个联动的中控系统，通过一种交替出现的脉冲控制方法，在适当的时候主动输入很少的外部能量，使基本结构和附加质量块之间发生动量交换，产生与基本结构运动方向相反的力，来达到减振的目的。本阻尼器碰撞耗能能力好、调谐能力强，水平方向上多维控制效果好、构造简单、输入能量少。在风或/和地震等的作用下，一对或多对阻尼器固定面板内的附加质量块可以随基本结构产生与基本结构运动方向相反的运动。在适当的时候，通过碰撞挡件控制器控制碰撞挡件与附加质量块凸出件的碰撞，一方面通过动量交换产生与基本结构运动方向相反的控制力，以有效减少结构的振动；另一方面，通过碰撞挡件与附加质量块凸出件的非弹性碰撞，使基本结构的机械能快速耗散。综合以上两种减振机制，该半主动控制碰撞阻尼器可以达到良好的减振效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案。
本发明的一种半主动控制碰撞阻尼器，包括：阻尼器固定面板1、嵌板2、附加质量块运动轨道3、碰撞挡件4、碰撞挡件控制器5、附加质量块6和附加质量块凸出件7，附加质量块凸出件7固定于附加质量块6上，阻尼器固定面板1成对平行布置，数量为一对或多对，若为多对，可在不同方向设置；每对阻尼器固定面板1在其长边中间内侧设置一条附加质量块运动轨道3，该附加质量块运动轨道3与阻尼器固定面板1底边平行；附加质量块6能在附加质量块运动轨道3运动；附加质量块运动轨道3两侧平行于附加质量块运动轨道3的方向设置嵌板2；四组碰撞挡件4分别安装在嵌板2上；位于附加质量块运动轨道3两侧相对应的两组碰撞挡件4的布置方向相反，使附加质量块6沿阻尼器固定面板1做单向运动；碰撞挡件4连接碰撞挡件控制器5连接碰撞挡件4，用以控制碰撞挡件4，使碰撞挡件4能在适当的时候伸出和收缩；在风或/和地震等作用下，在水平方向上，通过碰撞挡件控制器5脉冲式地控制碰撞挡件4的伸出，引发碰撞挡件4与附加质量块凸出件7之间的剧烈碰撞。
本发明中，每组碰撞挡件4有12~24个。
本发明中，碰撞挡件4和附加质量块凸出件7宜用恢复系数大于0.6的材料，如硬钢，且碰撞挡件须能被磁铁吸引。 
本发明中，碰撞挡件4安装在嵌板2上，数量为4组，每组有12~24个。每组碰撞挡件4的数量应根据实际需要设置。
本发明中，碰撞挡件控制器，通过监测基本结构的位移零点以及附加质量块与基本结构的相对运动方向，触发碰撞挡件的伸出，以形成碰撞，产生控制力。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1）本发明中引入联动控制系统，通过碰撞挡件控制器控制碰撞挡件的伸出与收缩，可以在基本结构的位移为零，且附加质量块与基本结构的运动方向相反时伸出，从而触发碰撞挡件与附加质量块上的凸出件的碰撞，产生与基本结构运动方向相反的控制力，减小基本结构的振动，以达到理想的减振效果。
2）本发明所需的外界输入能量极少，且减振效果远远好于被动式控制装置，可以与主动控制装置相媲美。
3）本发明构造形式简单，阻尼器固定面板与基本结构固结，能保证系统稳定，同时，还降低了设置传统阻尼器的造价，从而具有很好的实用性和经济性。
4）本发明几乎不需要基本结构的信息，可以适用于线性和非线性的基本结构，只需监测基本结构与附加质量块的相对位移，且控制优化算法简单，时滞小。
附图说明
图1为本发明的半主动控制碰撞阻尼器装置的俯视图；
图2为本发明的碰撞挡件在阻尼器固定面板上的布置情况示意图；
图3为本发明的碰撞挡件与附加质量块凸出件的布置关系示意图；
图中标号：1为阻尼器固定面板，2为嵌板，3为附加质量块运动轨道，4为碰撞挡件，5为碰撞挡件控制器，6为附加质量块，7为附加质量块凸出件。
具体实施方式
下面结合附图，进一步阐明本发明，在阅读了本发明之后，本领域的技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1：如图1和图2所示，本发明为半主动控制碰撞阻尼器，其主要包括阻尼器固定面板1、嵌板2、附加质量块运动轨道3、碰撞挡件4、碰撞挡件控制器5、附加质量块6和附加质量块凸出件7。其中附加质量块凸出件7为附加质量块6的一部分。阻尼器固定面板1成对平行布置，数量为一对或多对，若为多对，可在不同方向设置；每对阻尼器固定面板1在其长边中间内侧设置一条附加质量块运动轨道3，该轨道与阻尼器固定面板1的底边平行；在附加质量块运动轨道3两边平行于附加质量块运动轨道3的方向设置嵌板2；四组碰撞挡件4安装在嵌板2上，附加质量块运动轨道3两侧的碰撞挡件4的布置方向相反，从而可以保证附加质量块6沿阻尼器固定面板1做单向运动；此外，碰撞挡件4由碰撞挡件控制器5控制，在适当的时候伸出和收缩。在风或/和地震等作用下，该装置能够在水平方向上，通过碰撞挡件控制器5脉冲式地控制碰撞挡件4的伸出，引发碰撞挡件4与附加质量块凸出件7之间的剧烈碰撞。该碰撞力远大于附加质量块6本身的质量、作用时间极短、数值很大，且与基本结构的运动方向相反，可以有效抑制基本结构的振动；同时，在碰撞过程中也使基本结构机械能快速耗散，从而达到良好的减振效果。碰撞挡件4安装在嵌板2上，数量为4组，每组有12~24个。
阻尼器固定面板1的作用是固定嵌板并为附加质量块的运动提供轨道，因此，阻尼器固定面板的材料只要满足这两种条件可以任意选定，使用的材料要保证不易发生变形。阻尼器固定面板的尺寸与间距要结合具体情况来确定。在阻尼器固定面板内侧中间，沿平行于阻尼器面板长边的方向设置附加质量块运动轨道，要求运动轨道光滑，且不易变形，以保证附加质量块沿轨道做低阻尼运动。沿轨道两边平行于轨道方向各布置一个嵌板，每对阻尼器共需固定四个嵌板，每个嵌板内布置一组碰撞挡件，碰撞挡件的尺寸可以根据具体的条件做相应的调整，碰撞挡件在阻尼器固定面板上的布置情况如图2所示。附加质量块的形状可以根据实际情况进行调整，但是需要保证附加质量块可以沿着阻尼器固定面板提供的轨道进行低阻尼运动，同时附加质量块上应布置与碰撞挡件发生碰撞的若干个凸出件。碰撞挡件与附加质量块凸出件的布置关系如图3所示。附加质量块凸出件与碰撞挡件宜用恢复系数大于0.6的材料，如硬钢，且碰撞挡件须能被磁铁吸引。
本装置具体实施过程如下：将阻尼器安装在基本结构上，当基本结构受到风或/和地震作用时，基本结构发生振动，附加质量块随着基本结构沿轨道运动，两者运动方向相反；碰撞挡件控制器可以监测结构的位移和速度，使碰撞挡件在基本结构的位移为零，且附加质量块与基本结构的运动方向相反时伸出，从而脉冲式地触发碰撞挡件与附加质量块上的凸出件的碰撞。在碰撞挡件伸出的瞬间，碰撞挡件与附加质量块凸出件发生非弹性碰撞，使附加质量块相对于基本结构产生反向的控制力。碰撞发生后，碰撞挡件控制器可以控制碰撞挡件收缩到原来的位置，使附加质量块可以继续在相反方向做低阻尼的运动。该半主动控制碰撞阻尼器，一方面通过动量交换产生与基本结构运动方向相反的控制力，以有效减少结构的振动；另一方面，通过碰撞挡件与附加质量块凸出件的非弹性碰撞，使基本结构的机械能快速耗散，以进一步增强减振效率。

Claims (3)

1.一种半主动控制碰撞阻尼器，包括阻尼器固定面板（1）、嵌板（2）、附加质量块运动轨道（3）、碰撞挡件（4）、碰撞挡件控制器（5）、附加质量块（6）和附加质量块凸出件（7），附加质量块凸出件（7）固定于附加质量块（6）；其特征在于：阻尼器固定面板（1）成对平行布置，数量为一对或多对，若为多对，可在不同方向设置；每对阻尼器固定面板（1）在其长边中间内侧设置一条附加质量块运动轨道（3），该附加质量块运动轨道（3）与阻尼器固定面板（1）底边平行；附加质量块（6）能在附加质量块运动轨道（3）运动；附加质量块运动轨道（3）两侧平行于附加质量块运动轨道（3）的方向设置嵌板（2）；四组碰撞挡件（4）分别安装在嵌板（2）上；位于附加质量块运动轨道（3）两侧相对应的两组碰撞挡件（4）的布置方向相反，使附加质量块（6）沿阻尼器固定面板（1）做单向运动；碰撞挡件（4）连接碰撞挡件控制器（5）连接碰撞挡件（4），用以控制碰撞挡件（4），使碰撞挡件（4）能在适当的时候伸出和收缩；在风或/和地震等作用下，在水平方向上，通过碰撞挡件控制器（5）脉冲式地控制碰撞挡件（4）的伸出，引发碰撞挡件（4）与附加质量块凸出件（7）之间的剧烈碰撞。
2.根据权利要求1所述的半主动控制碰撞阻尼器，其特征在于： 碰撞挡件（4）和附加质量块凸出件（7）采用恢复系数大于0.6的材料。
3.根据权利要求1所述的半主动控制碰撞阻尼器，其特征在于：每组碰撞挡件（4）有12~24个。
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